二维材料增强金属基复合材料及其连续化制备方法技术

一种二维材料增强金属基复合材料及其连续化制备方法，所述制备方法包括：采用卷对卷化学气相沉积工艺，在金属箔表面沉积单层或多层二维材料，形成复合箔；沉积过程中，通过卷对卷的传输，将所述复合箔逐层卷覆于沉积设备一端的内模上；在完成卷覆的复合箔外包覆外模，并进行抽真空处理；将所述复合箔进行热等静压处理，冷却至室温，获得块状金属基复合材料。上述方法能够实现大规模连续制备，且形成的金属基复合材料性能得到提高。

Two dimensional material reinforced metal matrix composite and its continuous preparation method

A two-dimensional material reinforced metal matrix composite material and a continuous preparation method thereof, the preparation method comprises the following steps: adopting the roll to roll chemical vapor deposition process, depositing a single or multi-layer two-dimensional material on the surface of the metal foil to form a composite foil; in the deposition process, the composite foil is rolled on the internal mold at one end of the deposition device layer by layer through the roll to roll transmission; completing the roll to roll cladding The composite foil is wrapped with an outer mold and vacuumized; the composite foil is thermally isostatic pressed and cooled to room temperature to obtain a massive metal matrix composite material. The above method can realize large-scale continuous preparation and improve the properties of the metal matrix composite.

【技术实现步骤摘要】
二维材料增强金属基复合材料及其连续化制备方法
本专利技术涉及材料制备领域，尤其涉及一种二维材料增强金属基复合材料及其连续化制备方法。
技术介绍
金属基复合材料(metalmatrixcomposites，MMCs)是以第二相为增强材料，金属或合金为基体材料制备而成的复合材料，通过增强相材料提高金属基底的某中所需特性的性能。在作为金属基复合材料的增强相材料中，二维材料作为增强相得到了广泛的应用。例如，以石墨烯为增强相，提高MMCs的导热性能、以石墨烯为增强相提高材料的介电系数、以MoS2为增强相提高材料的润滑性能等。但是现有技术中，很难实现二维材料在金属基体中的平行排布，进而难以发挥二维材料的面内特性；并且，目前仍然无法实现大规模连续化的材料制备。如何提高具有二维材料增强相的金属基复合材料的性能是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种二维材料增强相的金属基复合材料及其制备方法，实现大规模连续化的制备高性能的复合材料。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种二维材料增强金属基复合材料的连续化制备方法，包括：采用卷对卷化学气相沉积工艺，在金属箔表面沉积单层或多层二维材料，形成复合箔；沉积过程中，通过卷对卷的传输，将所述复合箔逐层卷覆于沉积设备一端的内模上；在完成卷覆的复合箔外包覆外模，并进行抽真空处理；将所述复合箔进行热等静压处理，冷却至室温，获得块状金属基复合材料。可选的，所述金属包括具有催化活性的过渡金属。可选的，所述金属包括Cu、Ni、Ru、Co以及Al中的至少一种。可选的，所述二维材料包括：石墨烯、BN或MoS2。可选的，所述卷对卷化学气相沉积工艺还包括采用等离子体辅助生长。可选的，还包括：在沉积所述二维材料之前，对所述金属箔进行退火处理。可选的，所述金属为Cu，二维材料为石墨烯，所述Cu与所述石墨烯具有共格界面。可选的，所述Cu与所述石墨烯界面的共格率达到80％以上。可选的，采用卷对卷化学气相沉积工艺在所述Cu箔上沉积石墨烯的压强为1Torr～500Torr，温度为800℃～1000℃，生长时间为20～30min。可选的，所述热等静压处理的温度为850℃～950℃，压力为50～100MPa，时间为30min～1h。为解决上述问题，本专利技术的技术方案还提供一种二维材料增强金属基复合材料，包括：多层致密堆叠为块状的复合箔，所述复合箔包括金属箔以及沉积于所述金属箔表面的单层或多层二维材料；所述二维材料各层之间平行排列。可选的，所述金属包括具有催化活性的过渡金属。可选的，所述金属包括Cu、Ni、Ru、Co以及Al中的至少一种。可选的，所述二维材料包括：石墨烯、BN或MoS2。可选的，所述金属为Cu，二维材料为石墨烯，所述Cu与所述石墨烯具有共格界面。可选的，所述Cu与所述石墨烯界面的共格率达到80％以上。可选的，所述金属基复合材料为圆环块状，由连续的复合箔卷层堆叠并通过热等静压处理而成。本专利技术的复合材料的制备方法采用卷对卷化学气相沉积工艺，实现了大规模连续的复合材料制备，并且通过后续的热等静压处理，形成高质量的二维材料，使得复合材料中二维材料高度平行，提高了二维材料的面内性能。克服了现有复合材料制备周期长、样品尺寸小、二维材料难以平行排列、界面难共格以及导热性能的难点，实现了复合材料的大规模、连续化制备。进一步的，采用在Cu箔上沉积单层或多层石墨烯，形成块体的石墨烯增强的Cu基复合材料，实现了高质量Gr在块体MMCs中的高度平行排列，实现了Gr层数在块体MMCs中的精准调控，实现了Gr/Cu共格界面的形成，提高了Gr/Cu的界面热耦合作用。附图说明图1为本专利技术一具体实施方式的二维材料增强金属基复合材料的制备流程示意图；图2为本专利技术一具体实施方式的卷对卷化学气相沉积设备的局部示意图；图3为本专利技术一具体实施方式中，在卷覆于内模上的复合箔外面包覆外模的示意图；图4为本专利技术一具体实施方式中生长完单层的Gr的Cu箔的各项参数的表征；图5为本专利技术一具体实施方式中不同层数Gr的拉曼(Raman)表征；图6为本专利技术一具体实施方式中两层Gr的参数表征；图7为本专利技术一具体实施方式中5～6层以及10层Gr/Cu的扫描形貌图；图8为本专利技术一具体实施方式中的Gr/Cu块体复合材料示意图；图9为本专利技术一具体实施方式中单层Gr/Cu的形貌扫描图，以及现有粉末冶金工艺中石墨烯纳米片的扫描图；图10为本专利技术一具体实施方式中单层Gr/Cu在生长过程中的晶向表征图；图11为本专利技术一具体实施方式中单层Gr/Cu共格界面处的应变表征图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提供的二维材料增强金属基复合材料及其连续化制备方法的具体实施方式做详细说明。请参考图1，为本专利技术一具体实施方式的二维材料增强金属基复合材料的连续化制备方法的流程示意图。所述金属基复合材料的制备方法包括如下步骤：S101：采用卷对卷化学气相沉积工艺，在金属箔表面沉积单层或多层二维材料，形成复合箔。所述卷对卷化学气相沉积(roll-to-rollchemicalvapordeposition,R2RCVD)能够连续化制备薄膜。所述R2RCVD设备主要包括五个半部分，分别是气体供应系统、真空系统、高温系统、对卷系统和冷却系统。其中，气体供应系统主要提供沉积气体源(如CH4、C2H2等)、Ar和H2等；真空系统由真空泵进行抽真空；高温系统由程序化的升温和降温系统控制；对卷系统则进行金属箔移动速度控制；冷却系统主要在二维材料生长完成后对复合箔进行快速冷却处理。请参考图1，为卷对卷化学气相沉积工艺的沉积设备的局部示意图，所述卷对卷化学气相沉积工艺包括管式炉101、分别位于所述管式炉101两侧的对卷输入端102和对卷输出端103。所述输入端102和输出端103分别包括圆柱形滚筒，连续的金属箔201卷覆于输入端102的滚筒上，通过传送带传送以及滚筒转动，将金属箔201送入管式炉101内，进行二维材料的沉积，形成复合箔105自管式炉101的另一端输出，卷覆于输出端103的滚筒上，可以实现连续化的制备。通过控金属箔在管式炉101内的移动速度，即实现对二维材料生长时间的控制，同时调节管式炉内的压强，可以实现对二维材料层数的调整。所述金属箔104的材料包括具有催化活性的过渡金属，例如Ni、Ru、Co等。所述金属还可以为低熔点金属，例如Al。所述二维材料可以为石墨烯、BN或MoS2等。在进行卷对卷化学气相沉积的过程中，还可以采用等离子体辅助生长，以提高二维材料的生长效率，拓展可以作为生长基体的金属种类。为了提高金属箔表面的二维材料的生长效果，可以对所述金属箔进行退火处理，以便降低金属箔表面的粗糙度、以及去除附着在金属箔表面的杂质。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维材料增强金属基复合材料的连续化制备方法，其特征在于，包括：/n采用卷对卷化学气相沉积工艺，在金属箔表面沉积单层或多层二维材料，形成复合箔；/n沉积过程中，通过卷对卷的传输，将所述复合箔逐层卷覆于沉积设备一端的内模上；/n在完成卷覆的复合箔外包覆外模，并进行抽真空处理；/n将所述复合箔进行热等静压处理，冷却至室温，获得块状金属基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维材料增强金属基复合材料的连续化制备方法，其特征在于，包括：
采用卷对卷化学气相沉积工艺，在金属箔表面沉积单层或多层二维材料，形成复合箔；
沉积过程中，通过卷对卷的传输，将所述复合箔逐层卷覆于沉积设备一端的内模上；
在完成卷覆的复合箔外包覆外模，并进行抽真空处理；
将所述复合箔进行热等静压处理，冷却至室温，获得块状金属基复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属包括具有催化活性的过渡金属。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属包括Cu、Ni、Ru、Co以及Al中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二维材料包括：石墨烯、BN或MoS2。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述卷对卷化学气相沉积工艺还包括采用等离子体辅助生长。


6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括：在沉积所述二维材料之前，对所述金属箔进行退火处理。


7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属为Cu，二维材料为石墨烯，所述Cu与所述石墨烯具有共格界面。


8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Cu与所述石墨烯界面的共格率达到80％以上。


9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，采用卷对卷化学气相沉积工艺在所述Cu箔上沉积石墨烯的压强为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘悦，杨昆明，范同祥，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31